lab4 (Некоторые лабы по акустике)

Лабораторная работа №4

ИССЛЕДОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ

Цель работы

1.Ознакомление с методикой .определения толщины контролируемого изделия с помощью ультразвука.

2. Овладение навыками работы с резонансными ультразвуковыми толщиномерами ТУК-4В, Металл-2М, а также с импульсным толщиномером УТ-ЗОПЦ.

Домашнее задание

Построить графики зависимости резонансных частот от толщины объекта контроля для пяти первых гармоник резонансной частоты.

а) по формуле (1) (см. п.5) для образца со свободными поверхностями;

б) по формуле (2) с учетом пьезопреобразователя и контактного слоя (для первых двух гармоник).

Материал образца—латунь (для бригад с нечетным номером); дюралюминий (для четных); диапазон измеряемых толщин - 1 - 3 мм; диапазон частот - 3 - 9 МГц. Акустические. параметры пьезопластины, материала образцов и контактной жидкости приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Рабочее задание

1. На установке (рис. 4.1) снять зависимость значений резонансных частот от толщины контролируемого образца.

2. С помощью прибора ТУК-4В измерить толщину заданных образцов.

3. Оценить относительную погрешность измерения толщины путем сравнения экспериментальных результатов с результатами расчетов.

4. Измерить толщины тех же образцов, с помощью импульсного толщиномера УТ-30ПЦ. Оценить погрешность измерения.

5. Снять градуировочную кривую стрелочного индикатора прибора Металл-2М по образцам.

Рис. 4.1 Экспериментальная установка

для исследования зависимости f (d)

6. Измерить толщины контролируемых изделий, пользуясь полученной градуировочной кривой. Оценить погрешность измерения.

Описание лабораторной установки

В состав лабораторной установки входят: контактный резонансный толщиномер ТУК-4В, генератор сигналов высокочастотный ГЧ-18А, иммерсионный резонансный толщиномер «Металл-2М», контактный импульсный толщиномер УТ-30ПЦ, наборы преобразователей и образцов для экспериментальных исследований.

Методические указания

1. Резонансные колебания образца в виде пластины со свободными поверхностями возникают на частотах f_n, при которых по толщине образца укладывается целое число n полуволн (n - номер гармоники) [2]:

, (1)

здесь d - толщина образца; С - скорость распространения УЗК в материале образца. В действительности одна из поверхностей образца нагружена пьезопреобразователем. В этом случае уравнение, связывающее резонансную частоту f с параметрами трехслойного пакета (кварцевая пластина - контактная жидкость - образец) имеет вид:

, (2)

где - фазовый набег в i - м слое; z_i = r_i^.C_i - характеристический импеданс i - го слоя, r_i, C_i, d_i - плотность, скорость УЗК и толщина i - го слоя.

При расчетах полагать, что слои i = 1 - кварцевая пластина толщиной d₁=0,288 мм; i = 2 - трансформаторное масло толщиной d₂=0,01 мм; i = 3 -

d₃ - добавка к длине контролируемого образца обусловленная акустической нагрузкой, создаваемой слоем масла и кварцевой пластиной. Таким образом, влияние акустической нагрузки приводит к тому, что измеряемая частота резонанса образца толщиной d соответствует ненагруженному слою с эквивалентной толщиной d + d₃ .

Результаты расчетов по формулам (1)и (2) следует нанести на один график, по оси абсцисс которого откладываются значения f, а по оси ординат - d_3.

2. Кварцевая пьезопластина преобразователя прибора ТУК-4В возбуждается напряжением переменной частоты, поступающим с генератора качающеюся частоты (ГКЧ). Определение толщины контролируемого изделия осуществляют путем совмещения резонансных импульсов с измерительными импульсами, расстояние между которыми регулируют ручками «Скорость УЗК» и «Толщина», а амплитуду —ручкой «Амплитуда измерительных .импульсов».

Для измерения частоты резонансных сигналов .используют Г4-1-8А, напряжение фиксированной частоты с которого подается через разделительный конденсатор Ср в контур ГКЧ. Частота Г4-18А отмечается на. экране в виде метки. Измерение значений резонансных частот производят путем совмещения на экране ЭЛТ прибора ТУК-4'В измерительной метки с каждым из (резонансных импульсов. Отсчет производят по шкале прибора Г4-18А.

3. При измерении толщины изделий из материалов с различной скоростью ультразвука с помощью прибора ТУК-4В необходимо предварительно настроить отсчетное устройство прибора на скорость УЗК в данном материале. Для этого (ручкой «Толщина» установить значение толщины выбранного образца. Затем установить преобразователь на образец и ручкой «Скорость УЗК» совместить резонансные импульсы с измерительными. При этом стрелочный визир укажет значение скорости материала образца.

4. Прибор УТ-ЗОПЦ подготавливается к работе с апериодическим Преобразователем (для измерения толщины до 10 мм) следующим образом. Настройку прибора производят по контрольным образцам толщиной 1 и 3 мм. Сначала по образцу толщиной 3 мм настройку ведут с помощью ручек «Конец шкалы». Затем по образцу толщиной 1 мм - с помощью ручки «Начало шкалы». Каждый раз добиваются правильного показания толщины с точностью не менее 0,02 мм. Операцию настройки повторяют 3 раза.

5. Градуировочную кривую прибора «Металл-2М» снимают на трех-четырех образцах с известными значениями толщины. Результаты наносят на график, где по оси ординат откладывают показание стрелочного индикатора прибора «Металл-2М», а по оси абсцисс - соответствующее значение толщины образца.

Контрольные вопросы

1. Какое физическое явление положено в основу резонансного метода контроля толщины?

2. Объясните характер зависимости f'(d) для однослойной и трехслойной систем. •

3. Проведите сопоставительный анализ контактного и иммерсионного вариантов резонансного метода, резонансного и импульсного.

4. Поясните смысл операций настройки прибора ТУК-4В перед измерением толщины изделия.

5. Поясните порядок операций, необходимых для снятия градуировочной кривой стрелочного индикатора прибора «Металл-2М».

6. Из каких основных узлов состоят приборы ТУК-4В, «Металл-2М» и УТ-ЗОПЦ и какое их назначение?

7. Какие факторы влияют на точность измерения толщины изделий резонансным методом, импульсным методом?

8. Какой диапазон толщины изделий можно контролировать с помощью приборов ТУК-4В, «Металл-2М и УТ-ЗОПЦ?